管路基本工藝特性

汽車(chē)管路種類(lèi)繁多，材料特性各異，形狀也隨布置和功能要求不同而各異，虛擬布置時(shí)需要考慮管路的基本特性要求和工藝要求，并根據管路類(lèi)型選擇準確的設計和分析方法。按照工藝類(lèi)型分為兩類(lèi)：一類(lèi)為非成型管，如非成型膠管、拉索和線(xiàn)束。其長(cháng)度一定，安裝后具有一定形狀，而材料特性各異，在數模布置時(shí)很難反映實(shí)際安裝狀態(tài)，容易引起管路干涉、磨損等問(wèn)題，但非成型管具備工藝簡(jiǎn)單，加工方便等優(yōu)點(diǎn)；另一類(lèi)為成型管，如成型膠管、塑料管或尼龍管。成型管是通過(guò)模具成型，在管路布置中，成型管布置容易，但由于模具和工藝復雜，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)成本有一定增加。按照汽車(chē)系統功能可以分為線(xiàn)束、冷卻水管、空調管（軟管和硬管）、燃油管（軟管和硬管）、轉向管（硬管、低壓軟管和高壓軟管）、制動(dòng)管（軟管和硬管）、拉索（離合器拉索、油門(mén)拉索、變速器選換擋拉索、駐車(chē)制動(dòng)拉索）等。

管路布置方法

發(fā)動(dòng)機艙和底盤(pán)運動(dòng)非常復雜，存在完全相對運動(dòng)和不完全相對運動(dòng)，見(jiàn)圖3，并且運動(dòng)特性和運動(dòng)量各不一致，同時(shí)發(fā)動(dòng)機在工作時(shí)產(chǎn)生巨大熱量，極限情況下排氣歧管溫度可達700～800°C，有些管路過(guò)長(cháng)，為約束管路的位置需要考慮增加固定點(diǎn)，管路長(cháng)度對空間走向起著(zhù)決定影響。動(dòng)、靜態(tài)間隙確保各種管路在運動(dòng)和振動(dòng)中不發(fā)生干涉和磨損，必須保證管路設計間隙滿(mǎn)足管路各種極限工況下的運動(dòng)量以及尺寸極限偏差。結合具體案例對動(dòng)、靜態(tài)間隙作深入分析。如圖4所示，A段在靜止情況下與空濾的間隙為靜態(tài)間隙，此處用CS表示；A段隨著(zhù)動(dòng)力總成一起運動(dòng)，當運動(dòng)到各種工況下的極限情況時(shí)，A段與空濾的間隙為動(dòng)態(tài)間隙，此處用CD表示。A段的運動(dòng)量用AD表示，其中AD=CS-CD。管路的制造公差和偏差相對于其他零件會(huì )更大，此處用CT表示尺寸極限偏差。通過(guò)工況和尺寸分析可以得知，只有靜態(tài)間隙大于運動(dòng)量（AD）和尺寸極限偏差（CT）之和，即靜態(tài)間隙CS>AD+CT，在各種工況下管路才可以確保安全。對于完全相對運動(dòng)的運動(dòng)量，AD可以通過(guò)動(dòng)力總成懸置特性計算得到，對于不完全相對運動(dòng)的運動(dòng)量BD可以通過(guò)仿真CAE軟件根據發(fā)動(dòng)機的極限運動(dòng)求得，即把不完全相對運動(dòng)BD轉化為完全相對運動(dòng)AD。熱間隙傳統能源汽車(chē)排氣歧管表面溫度在極限情況下會(huì )達到700～800°C，排氣管和消音器表面溫度也可達200～500°C。對于在熱源周?chē)植嫉母鞣N管路，要確保不被熱源損壞，必須根據熱場(chǎng)分析保證足夠間隙。各個(gè)熱源的發(fā)熱量不相同，同時(shí)熱敏感零件的材料和特性各異，整車(chē)管路布置時(shí)需要根據熱敏感零件的性能預留足夠的熱輻射間隙。如果預留間隙不能滿(mǎn)足要求，首先需要對各個(gè)工況下的熱負荷狀態(tài)進(jìn)行虛擬分析計算，為熱間隙過(guò)小的問(wèn)題提供方案選擇和參考。一般可供選擇的方案有：在熱源側增加單層或者多層隔熱罩，或者提升熱敏感零件的耐熱等級，同時(shí)需要平衡各方案的成本，見(jiàn)圖5。重力和內、外部液體溫度的影響在管路虛擬布置時(shí)通常只考慮管路外形，而管路自身和內部液體的重力因素引起的管路變化通常很難考量，發(fā)動(dòng)機艙環(huán)境溫度和管路內部的液體溫度會(huì )進(jìn)一步加速管路下沉。以發(fā)動(dòng)機水管布置為例探討如何在布置管路時(shí)充分考慮重力和內、外溫度的影響。發(fā)動(dòng)機水管外徑一般在20～50mm之間，內部高溫的冷卻液溫度一般達110°C左右。圖6是外徑為40mm、長(cháng)750mm的暖風(fēng)水管原始設計與考慮重力和溫度后的對比，如果中間沒(méi)有約束固定點(diǎn)，通過(guò)CAE分析重力、溫度對水管的影響，水管會(huì )下沉50mm。約束系統-固定點(diǎn)每個(gè)系統管路通常連接兩部分零件，例如燃油管需要經(jīng)過(guò)燃油泵、燃油濾清器到發(fā)動(dòng)機油軌，由于回路過(guò)長(cháng)，中間必須在合理位置增加固定點(diǎn)以保證管路的設計狀態(tài)。對于硬管，一般400～600mm安裝一個(gè)固定點(diǎn)；對于軟管，一般200～300mm安裝一個(gè)固定點(diǎn)，但也需要根據實(shí)際工況合理布置。固定點(diǎn)的設計需要有效可靠，起到約束限位作用，防止固定點(diǎn)偏移、旋轉、下沉或左右竄動(dòng)。固定點(diǎn)在某一方向的變化，如果管路較長(cháng)，會(huì )導致遠端管路位置偏差放大，引起管路干涉、磨損或其他問(wèn)題。例如某動(dòng)力轉向油管固定點(diǎn)設計對管路的限位欠佳，造成管路在裝配之后會(huì )向上和向下旋轉達10°之多，與固定點(diǎn)130mm之處造成管路彎角處偏差達24mm，對周?chē)慵g隙造成很大影響，見(jiàn)圖7。通過(guò)在彎角后面增加1個(gè)防止上下移動(dòng)的固定點(diǎn)，很好地起到約束管路的作用。固定點(diǎn)的選擇，包括固定方式、限位效果、失效模式分析等在設計階段都要進(jìn)行全面評估，確保限位起到預期效果，見(jiàn)圖8。長(cháng)度對間隙的影響管路長(cháng)度的布置和設計一般考慮正偏差，即為了滿(mǎn)足安裝和制造要求，管路一般會(huì )比名義值偏大。管路一般是在二維平面內走向，但如果管路過(guò)長(cháng)，由于管路長(cháng)度引起的間隙減小會(huì )非常明顯。以圖9所示管路1為例，即兩端固定，分析固定點(diǎn)中間的長(cháng)度變長(cháng)對管路1與管路2間隙C1的影響。圖9中，當管路1的長(cháng)度由A增加了Δ，即管路1的長(cháng)度為A+Δ，兩個(gè)固定點(diǎn)不變，管路拱出ΔX，簡(jiǎn)化A+Δ為一段圓弧，且0<ΔX<A/2，見(jiàn)圖10模型1，則根據數理推斷可求解通過(guò)分析模型1和模型2，對長(cháng)度變化量Δ/A與偏移量ΔX進(jìn)行數據統計，具體參見(jiàn)圖12的曲線(xiàn)，由此可知長(cháng)度增加得越多，偏移量也越大。在緊湊型的整車(chē)布置中，對管路進(jìn)行布置和設計時(shí)，有效控制管路名義長(cháng)度非常關(guān)鍵，否則很可能會(huì )引起管路的干涉磨損等問(wèn)題。

CAE管路分析

項目前期開(kāi)發(fā)時(shí)，業(yè)內常用方法是根據經(jīng)驗設計管路走向，然后根據實(shí)車(chē)制造進(jìn)行調整，往往會(huì )對項目開(kāi)發(fā)時(shí)間和費用造成很大影響，探索性地提出對關(guān)鍵零件和管路CAE虛擬模擬，找出最佳布置方案，得到整車(chē)設計狀態(tài)下的數模，以提高布置質(zhì)量的穩健性，有效降低開(kāi)發(fā)成本。進(jìn)行CAE分析時(shí)務(wù)必充分考慮材料特性，管路內、外環(huán)境溫度，重力，典型和極限加速度，管路約束系統固定限位和內部工作壓力對管路外形的各種影響。針對不同類(lèi)型的管路，采用不同的運算分析方法，殼單元分析方法一般適用于成型管如水管、燃油管等。例如某水管一端固定在防火墻，另一端固定在發(fā)動(dòng)機，水管相對于防火墻具有不完全相對運動(dòng)，在Z方向±6g加速度情況下，水管上下運動(dòng)12mm；在X方向±11g加速度情況下，通過(guò)CAE按水管材料特性加載，得出水管前后運動(dòng)達15mm。具體案例見(jiàn)圖13。梁?jiǎn)卧治龇椒ㄒ话氵m用于非成型管，如拉索、制動(dòng)軟管、電器線(xiàn)束等。例如ABS制動(dòng)軟管與制動(dòng)卡鉗相連，制動(dòng)卡鉗隨懸架做全轉向、全跳動(dòng)等極限運動(dòng)。根據整車(chē)動(dòng)態(tài)定義，輪胎最大上跳一般在70～120mm，下跳一般在80～100mm，ABS軟管布置必須克服制動(dòng)卡鉗的極限運動(dòng)且保證不干涉和磨損，且經(jīng)受住拉伸和壓縮的頻繁工況，具體案例見(jiàn)圖14。

管路外觀(guān)質(zhì)量

顧客在購買(mǎi)汽車(chē)時(shí)，不僅關(guān)注汽車(chē)的性能和價(jià)格，外觀(guān)質(zhì)量也是一重要考量項。高質(zhì)量的汽車(chē)外觀(guān)不僅提升整車(chē)品質(zhì)，還可提升顧客對品牌的忠誠度，進(jìn)而提升品牌價(jià)值。整車(chē)管路外觀(guān)質(zhì)量的高低，將直接影響發(fā)動(dòng)機艙外觀(guān)質(zhì)量。發(fā)動(dòng)機艙管路布置過(guò)程中，在確保各個(gè)管路系統功能的前提下，需要從整體一致性，管路和線(xiàn)束的整齊度，顏色和皮紋的整體協(xié)調性，零部件和周邊鈑金的集成性等內容對管路進(jìn)行優(yōu)化和改善。

管路布置質(zhì)量驗證

整車(chē)和子系統特性各異，車(chē)型與車(chē)型之間的管路間隙大小并無(wú)借鑒意義。經(jīng)過(guò)虛擬布置和設計的管路，進(jìn)行充分的物理試驗可以及早發(fā)現潛在的布置和設計問(wèn)題，為后期的管路質(zhì)量管理和控制提供保障，管路相關(guān)的試驗一般分為3類(lèi)：（1）管路本身的各項性能試驗，如爆破試驗、氣密性試驗、拉伸試驗等。主要是為了驗證零件是否滿(mǎn)足設計標準；（2）整車(chē)臺架試驗。主要目的是為了驗證整車(chē)懸架在物理極限情況下（如全轉向最大上、下跳）管路的運動(dòng)情況，以彌補道路試驗無(wú)法達到的極限狀態(tài)；（3）整車(chē)道路試驗，可靠性試驗。最能反映管路常會(huì )遇到的工況，如石塊路、卵石路、魚(yú)鱗坑路、搓板路、高速跑道、坡道、砂土路等。試驗開(kāi)始、試驗過(guò)程中和試驗結束時(shí)都需要對整車(chē)管路進(jìn)行全方位仔細的評估和記錄，記錄管路之間的間隙和狀態(tài)，形成整車(chē)管路數據庫，建立指導經(jīng)驗并為后續項目開(kāi)發(fā)提供支持。

整車(chē)管路布置開(kāi)發(fā)在項目開(kāi)發(fā)中處于非常關(guān)鍵的位置，借助豐富的虛擬布置方法和實(shí)物驗證手段，確保前期布置設計質(zhì)量的穩健性，各系統的功能和性能才能保證。本布置方法和流程已經(jīng)在SGM多個(gè)平臺、多個(gè)車(chē)型的開(kāi)發(fā)過(guò)程中應用和驗證，涉及幾百萬(wàn)輛各式整車(chē)，并歷經(jīng)多次改進(jìn)和優(yōu)化，有效地指導整車(chē)管路開(kāi)發(fā)。